并联结构六维力传感器性能分析与优化设计

基于螺旋理论和空间模型理论绘制了Stewart平台型六维力传感器的性能图谱,总结了结构参数对传感器各性能指标的影响规律;在此基础上对大型Stewart平台六维力传感器的结构进行了非线性单目标、多目标优化设计,为具有普通球形铰链大型Stewart平台六维力传感器的设计和优化提供了依据.     

并联结构六维力传感器性能分析与优化设计

基于螺旋理论和空间模型理论绘制了Stewart平台型六维力传感器的性能图谱,总结了结构参数对传感器各性能指标的影响规律;在此基础上对大型Stewart平台六维力传感器的结构进行了非线性单目标、多目标优化设计,为具有普通球形铰链大型Stewart平台六维力传感器的设计和优化提供了依据。     

超静定并联式六维力传感器动力学

提出了一种新型的基于Stewart平台的超静定并联式六维力传感器结构,并对其进行了动力学理论分析和有限元仿真研究.描述了该传感器相对于经典Stewart平台六维力传感器所具有的结构特点;利用有限元法,采用位移协调和力平衡条件建立了传感器弹性动力学理论模型,依此模型进行数值分析,绘制了固有频率与各结构参数间变化关系曲线;并利用ANSYS软件建立了传感器有限元模型,进行了振动模态分析,得到其固有频率和振型.研究内容为深入开展六维力传感器的弹性动力学分析与综合及动态优化设计奠定了基础.     

Stewart结构六维力传感器各向同性的解析分析与优化设计

各向同性是反映六维力传感器结构性能优劣的重要指标,各向同性性能分析是Stewart结构六维力传感器结构设计中的关键性问题。为了获得最优的各向同性性能,应用螺旋理论建立Stewart结构六维力传感器的静态数学模型,系统研究传感器的各向同性性能指标。利用数学解析的方法,对传感器的正向和逆向各向同性进行分析,推导出同时满足正向力和力矩各向同性时结构参数之间的关系表达式,证明了该类传感器不能同时满足逆向力和力矩各向同性,并得到了各向同性度性能指标之间存在的制约关系。权衡各向同性的四个性能指标,通过求解综合性能目标函数的极值,得到了综合性能指标的最优值,并推导出综合性能指标最优时结构参数之间所满足的关系表达式。研究内容为Stewart结构六维力传感器的结构性能优劣评价及结构优化设计奠定了基础。     

基于结构变形的大型并联六维力传感器精度研究

为了研究结构变形对大型六维力传感器精度的影响,基于螺旋理论及影响系数方法,并借助位姿解建立了考虑结构整体变形条件下Stewart平台六维力传感器测量误差模型,推导出并联六维力传感器测量的Ⅰ,Ⅱ类误差表达式,分析了在不同外载下,六维力传感器Ⅰ,Ⅱ类误差,总结了结构变形和平台自重对传感器测量精度的影响规律,为具有普通球形铰链大型Stewart平台六维力传感器标定方案的选择和精度的改善提供了理论基础.     

新型预紧式六维力传感器及其位姿误差分析

为了获得综合性能指标优良的六维力传感器,本文提出一种新型的基于Stewart平台的预紧式六维力传感器结构,并对其进行了位姿误差分析。首先以经典Stewart平台六维力传感器为比较对象,描述了此预紧式六维力传感器的结构特点;而后综合利用影响系数法和矢量法建立其位姿误差模型,进而定义位姿误差灵敏度指标并据此绘制误差灵敏度直方图以分析不同误差因素对传感器位姿误差的影响情况;最后研制出传感器样机并完成标定实验,实验结果表明该传感器测力精度在1%以内。所研究内容对六维力传感器的设计制造和实验标定具有理论指导意义。     

柔性并联六维力传感器力映射解析研究

针对由柔性铰链构成的柔性并联Stewart平台六维力传感器弹性体结构,提出一种可用于柔性一体式并联六维力传感器六维外力与各柔性测力分支拉/压力间的精确力映射解析建模方法。基于虚功原理和几何相容条件并根据柔性铰链空间形式的柔度矩阵,构建传感器柔性串联支路末端的柔度矩阵和传感器的整体刚度矩阵。推导得到六维外力与传感器柔性分支杆所受轴向拉/压力间的解析映射关系。通过具体算例和传感器的有限元模型,对上述理论推导过程进行仿真验证。结果表明:理论值与仿真值基本吻合,最大误差在7%以内,从而说明了所提出的力映射解析方法具有较高的求解精度,并为柔性并联六维力传感器的尺寸优化设计奠定了理论基础。     

超静定六维力传感器静定测量模型及标定方法

针对一种预紧式超静定Stewart结构六维力传感器,通过综合考虑传感器的整体刚度和分支杆变形的位移协调关系,以简洁的解析表达式推导得到了包含中间预紧分支作用的广义外力与6个测量分支轴向力之间的全映射关系,建立了超静定六维力传感器的静定测量模型,并提出一种超静定六维力传感器的静定标定方法,进行了标定实验及测试研究.研究内容为解决超静定并联式结构的六维力传感器受力分析提供了新的途径,同时为超静定结构六维力传感器的标定研究奠定了理论和实验基础.     

新型灵巧手指六维力传感器参数设计方法研究

研究机器人力传感器性能与其结构参数关系，对机器人力传感器结构参数的合理选择有重要意义。提出了一种以等平台Stewart机构为原形的新型机器人灵巧手指六维力传感器，基于对其位移刚度椭球和扭转刚度椭球的分析，分别定义了其位移刚度和扭转刚度各向同性性能指标，并以性能图谱的形式给出了性能指标与结构参数关系，为基于各向同性性能的灵巧手指六维力传感器的结构优化设计提供了理论依据。     

预紧式Stewart结构六维力/力矩传感器

针对六维力/力矩传感器测量量程受限问题,提出一种具有分载测量功能的预紧式Stewart结构六维力/力矩传感器.首先,对比传统Stewart结构力/力矩传感器,阐述了预紧式六维力/力矩传感器的结构特点和测量原理.然后,完成了预紧式Stewart结构六维力/力矩传感器的结构设计.建立了传感器的有限元模型,对模型进行了模态分...     

基于Stewart结构六维大力传感器的性能分析及结构优化

针对基于Stewart结构新型六维大力传感器在结构设计时存在诸多性能指标难以均衡的问题,对传感器的结构几何参数与其性能的关系进行了分析。依据基于Stewart结构六维大力传感器的测量原理,建立了传感器测量精度与一阶静力影响系数矩阵条件数的关系模型。通过分析力及力矩一阶静力影响系数矩阵和力及力矩柔度矩阵,揭示了传感器的各向同性指标、灵敏度及其各向同性指标与其结构参数之间的相互关系。并通过图谱优化方法和遗传算法对新型六维大力传感器的结构参数进行了优化。其分析结果将为六维大力传感器的结构设计提供有效的参考。     

Optimal design and experiment research of a fully pre-stressed six-axis force/torque sensor

This paper presents the design and experiment of a fully pre-stressed six-axis force/torque sensor with double layers. The structure characteristic of the fully pre-stressed six-axis force/torque sensor is introduced in comparison with the traditional Stewart platform-based force sensor. In order to meet the expected task requirements, an optimal design approach based on the given measurement range of the sensor is proposed with the aim of minimizing the forces of the measuring limbs overall. Considering the optimization objective, the optimal solutions of the structural parameters are obtained. Finally, the sensor prototype is manufactured and the calibration system is developed. The calibration experiment is performed and the results prove the superiority of the sensor structure and the validity of the optimal design method.     

基于Stewart机构的六维力/力矩传感器

基于Stewart机构的六维力/力矩传感器是一种十分优越的测力传感器,具有测力接触面大、承载能力强、量程大、测力信息丰富等优点,可被广泛应用在航空机器人、航空航天技术及宇宙空间器的对接试验、风洞试验等场合。根据以上特点,阐述Stewart机构的六维力/力矩传感器的测力原理,分析传感器的受力变形,零部件设计尺寸和理论尺寸的制造误差及安装误差对其测力精度的影响,并对其结构参数进行优化设计。提出一种标定方法,研究其标定算法。对自主研制的Stewart六维力/力矩传感器进行标定试验,得出该传感器的标定矩阵。研究结果表明,用标定矩阵代替传感器理论影响系数矩阵参与6个单向力传感器输出信号的耦合,能够有效地提高该传感器的测力精度。     

Measurement method of six-axis load sharing based on the Stewart platform

In this paper, a measurement method of six-axis load sharing based on the Stewart platform is presented. The force Jacobin matrix of the Stewart platform, the solution of forward kinematics of the Stewart platform and the deep beam element stiffness matrices were combined in the decoupling algorithm. The FEM model was established, and the results of FEM analysis agreed well with the calculation results from proposed method, which proves the effectiveness of the method of six-axis load sharing. Moreover, a six-axis heavy force sensor based on the Stewart platform was demonstrated in order to investigate the reasonability and validity of the six-axis load sharing model. And the experiment results verified the feasibility of the method.     

大量程柔性铰六维力传感器静态解耦的研究

为提高大量程六维力传感器的测量精度,提出了一种新型的六维力传感器非线性静态解耦方法,该方法结合混合递阶遗传算法和小波神经网络的优点,采用递阶遗传算法与最小二乘法分别对小波神经网络隐层结构参数以及输出层权值进行优化,再将优化后的小波神经网络模型用于六维力传感器非线性解耦.建立了基于混合递阶遗传算法和优化小波神经网络的六维力传感器非线性解耦模型,设计了基于混合递阶遗传算法的小波神经网络结构及参数优化算法,给出了六维力传感器非线性解耦的具体实现流程.以最新研制的6-UPUR大量程柔性铰六维力传感器为对象进行实验,结果表明,采用该方法六维力传感器的Ⅰ类误差和Ⅱ类误差分别为1.25％和2.59％,比采用BP和RBF神经网络方法的测量精度高.     

双层预紧式多分支六维力传感器及其结构稳定性分析

提出一种双层预紧式多分支六维力传感器结构,并对其结构稳定性及工作有效性进行分析。由于所提出传感器采用单向约束的球面副,为保证结构稳定必须使传感器各测力分支在测量过程中始终受压,因此在使用之前需要对传感器施加一定的预紧力。应用凸分析理论确定出该类型六维力传感器可行的分支数目。通过对传感器静力平衡方程求解,将测力分支所产生的反作用力分为两部分,方程特解部分由六维外力产生,而通解部分只与预紧力有关;通过线性变换减少了通解中待确定参数的个数,并推导出外力在量程范围内时满足所有测力分支受压的预紧力确定方法。给出双层七分支和八分支结构六维力传感器预紧力的确定实例。研制出双层七分支结构六维力传感器样机并进行试验研究,试验结果与理论计算结果一致,从而验证了理论分析的正确性。     

正交并联六轴力传感器耦合误差测量模型及实验分析

为解决并联六轴力传感器量程提升受限问题,设计了一种正交构型并联六轴力传感器。正交并联六轴力传感器是基于并联六轴力传感器的一种构型上的改进,具有承载能力强、解耦性能良好的优势,但同时该力传感器的耦合误差输出具有自身的特点。考虑该力传感器测量分支间摩擦以及正交结构自身特点引起的耦合误差输出,建立了正交并联六轴力传感器耦合误差测量模型。基于所建立的测量模型,通过数值算例分析探讨了传感器设计参数与两种耦合误差输出之间的影响关系,据此研制了一种正交并联六轴力传感器。最后对传感器样机进行了实验,得到其误差分布及检验测量精度。实验所得传感器各维力/力矩在各方向误差分别为0.43%/0.31%,0.18%/0.68%,0.80%/1.28%。     

基于ADAMS的腕力传感器动态性能分析

腕力传感器是智能机器人中最重要的传感器之一,作为反馈控制系统中的检测元件,要能迅速反映力和力矩的变化,应具有良好的动态特性。利用机械系统动力学软件ADAMS对一种新型的并联六维腕力传感器的弹性体进行瞬态动力学分析,得到了它的动态响应曲线,由此计算出传感器的动态性能指标,为此类传感器的进一步研究提供了一种新的途径和方法。     

Experimental investigation on monitoring interelectrode gap of ECM with six-axis force sensor

To realize on-line monitoring interelectrode gap, six-axis force sensor was embedded into main spindle of machine tool to measure force signals on cathode exerted by electrolyte. The force signals, three forces, and three moments in X, Y, Z directions, respectively, are considered as research parameters. On one hand, the forces exerted on the tool cathode by electrode are measured with six-axis force sensor as electrolyte flow system is activated and electrode is deactivated. On the other hand, the forces are tested when electrolyte flow system and electrode are both activated. Then, the relation between six force components and interelectrode gap are analyzed. Machining experiments using three types of tool, e.g., plane tool, slant tool, and blade tool, have been carried out to deduct experiential equations between six force components and gap according to least squares method. Furthermore, the experimental data with blade tool are put into experiential equation with slant tool to examine validity of measuring gap in ECM. The relation of parameters in equations is analyzed and a conclusion is drawn: in the range of 15% error, machining experiential equation with slant tool can be used to on-line measure the interelectrode gap in ECM.